学习笔记八——内存管理相关

📘 目录

1. 内存结构基础：栈、堆、数据段
2. Rust 的内存管理机制（对比 C/C++、Java）
3. Drop：Rust 的自动清理机制
4. Deref：为什么 *x 能访问结构体内部值
5. Rc：多个变量“共享一个资源”怎么办？
6. Weak：如何打破 Rc 的循环引用？
7. borrow_mut 和 downgrade 是什么意思？
8. 👁 Rc / Weak / Deref / Drop 关系图
9. 总结 & 使用建议

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1️⃣ 内存结构基础

Rust 程序运行时，内存大致分为：

区域	用途说明	生命周期
栈	存储函数调用的局部变量	函数调用期间
堆	存储动态分配的大对象	显式释放或自动释放
数据段	静态变量、全局变量等	程序运行全过程

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2️⃣ Rust 的内存管理机制

• Rust 不靠垃圾回收器
• 通过“所有权 + 借用”系统管理内存
• 编译时就能判断内存是否正确释放

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let t = s;
    // println!("{}", s); // ❌ 错误：s 的所有权已经被转移给 t
}

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3️⃣ Drop：变量作用域结束自动释放

你可以实现 Drop trait，在变量被释放时自动执行逻辑。

struct Connection;

impl Drop for Connection {
    fn drop(&mut self) {
        println!("连接关闭！");
    }
}

fn main() {
    let _conn = Connection;
    println!("连接中…");
}
// 输出：连接中… ➤ 连接关闭！

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4️⃣ Deref：让结构体支持 *x

Rust 中 *x 默认是用于“解引用”指针或引用。如果你想让自己写的结构体也支持 *x，就需要实现 Deref。

use std::ops::Deref;

struct MyBox<T>(T);

impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;
    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        &self.0 // 访问结构体里的第一个字段
    }
}

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5️⃣ Rc：多个变量想“共同拥有”一个资源？

默认变量所有权不能共享：

let a = String::from("hi");
let b = a; // a 不再拥有字符串

如果你希望多个变量共享一个资源（比如多个节点共享同一根节点），可以用：

use std::rc::Rc;

let a = Rc::new(String::from("hello"));
let b = Rc::clone(&a);  // ✅ 不是深拷贝，只是计数 +1
let c = Rc::clone(&a);

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6️⃣ Weak：如何解决 Rc 的循环引用？

🌀 什么是循环引用？

a → b → a   // 永远互相指着，永远无法释放

✅ Weak 是什么？

• Rc<T>：是“强引用”，决定资源释放
• Weak<T>：是“弱引用”，不会影响资源生命周期

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7️⃣ borrow_mut 和 downgrade 是什么意思？

🔹 borrow_mut 是什么？

当你使用 RefCell<T> 来包裹一个值时，可以在运行时借用它的可变引用。

use std::cell::RefCell;

let x = RefCell::new(5);
*x.borrow_mut() = 10;  // ✅ 可变借用并修改

解释：

• .borrow_mut()：是 RefCell 提供的方法
• 它返回一个可变引用，类似于 &mut T，但是在运行时检查是否有冲突

📌 注意：不能同时有可变和不可变借用，否则运行时会 panic。

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🔹 downgrade 是什么？

Rc::downgrade(&rc) 是把一个 Rc<T> 强引用变成 Weak<T> 弱引用。

let strong = Rc::new(String::from("Rust"));
let weak = Rc::downgrade(&strong); // 不增加引用计数

可以用 weak.upgrade() 把 Weak 转回 Rc，如果值还活着，就返回 Some(Rc)，否则是 None。

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🧪 示例：父子节点用 Weak 打破循环引用

use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;

struct Node {
    value: i32,
    parent: RefCell<Option<Weak<Node>>>,  // 👈 防止循环引用
    children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
    let parent = Rc::new(Node {
        value: 1,
        parent: RefCell::new(None),
        children: RefCell::new(vec![]),
    });

    let child = Rc::new(Node {
        value: 2,
        parent: RefCell::new(Some(Rc::downgrade(&parent))),  // 🔥 不增加计数
        children: RefCell::new(vec![]),
    });

    parent.children.borrow_mut().push(child.clone());

    // 程序结束时能正确释放所有节点
}

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8️⃣ 👁 Rc / Weak / Deref / Drop 关系图

   ┌────────────┐
   │ Rc<T>      │◄─────┐
   └────────────┘      │ Rc::clone()
        ▲              │
        │              │
        │ Rc::downgrade│
        ▼              │
   ┌────────────┐      │
   │ Weak<T>    │────┐ │
   └────────────┘    │ │
        │            │ │
        │ upgrade()  ▼ ▼
        │       ┌─────────┐
        │       │ *x 解引用│（Deref）
        ▼       └─────────┘
   drop()（当 Rc 引用数为 0 自动触发）

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✅ 总结 & 建议

工具	功能说明	典型使用场景
Rc<T>	多个所有者，共享资源	单线程共享结构，如树结构
Weak<T>	不增加计数，防止循环引用	父指向子用 Rc，子指向父用 Weak
RefCell<T>	运行时可变借用检查	单线程内部可变性
borrow_mut	在 RefCell 中获取可变引用	RefCell<i32>.borrow_mut()
downgrade	将 Rc 转为 Weak，不影响引用计数	避免结构间强依赖
Deref	让自定义类型也能用 *x 访问内部值	智能指针封装
Drop	离开作用域时自动释放资源	自动释放连接、缓存等

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